原 松，田奕姍，王 偉

（長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010）

0 引 言

隨著濟(jì)社會發(fā)展，我國水資源、水生態(tài)環(huán)境壓力日益凸現(xiàn)，水資源管理面臨重大挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)是我國第一用水大戶，灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水的90%。隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的出臺與實施，灌區(qū)節(jié)水成為落實水資源管理“三條紅線”目標(biāo)、緩解用水壓力的重要手段［1］。通過在大型灌區(qū)開展水平衡測試，測定取灌耗排水量，計算灌區(qū)用水效率的重要指標(biāo)，結(jié)合實地調(diào)查與相關(guān)統(tǒng)計資料分析用水不合理之處，改進(jìn)用水方式，實現(xiàn)對灌區(qū)節(jié)水潛力的挖掘。由于灌區(qū)內(nèi)部渠系發(fā)達(dá)，作物種植類型多樣、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用傳統(tǒng)水平衡測試方法全面準(zhǔn)確的測量灌溉水量、測算用水效率，掌握灌區(qū)實際灌溉情況難度較大。

以陜西漢中石門灌區(qū)為例，通過點(diǎn)線面結(jié)合的水平衡測試方法測量田間、渠道、總?cè)∷诘妮敼嗨?。在選取典型田塊與典型渠道、計算灌溉定額等用水指標(biāo)時，均充分考慮影響用水效率的各項因素，使采樣數(shù)據(jù)能較好的代表全灌區(qū)的綜合水平。為在大范圍復(fù)雜灌溉用水條件下，以較小代價高效準(zhǔn)確的測算灌區(qū)用水效率，發(fā)掘節(jié)水潛力，提供了行之有效的方法與策略。

1 灌區(qū)情況

陜西漢中石門灌區(qū)處于國家南水北調(diào)中線工程丹江口水庫上游，漢中盆地腹心北緣，由漢江支流褒河灌溉，是我國重要的商品糧基地，東西長約30 km，南北寬約20 km，地勢北高南低、起伏不平，北部為秦嶺低山丘陵區(qū)，南邊屬漢江、文川、褒河河流階地，較為平坦地形，海拔高度約在500～625 m之間。

灌區(qū)是陜西省最大的水稻灌區(qū)，現(xiàn)有農(nóng)田3.43 萬hm2，有效灌溉面積3.13 萬hm2。灌區(qū)氣候溫和，土地肥沃，適宜于多種農(nóng)作物生長，一年兩熟，水旱輪作，糧食作物以水稻為主，小麥次之，經(jīng)濟(jì)作物以油菜為主，現(xiàn)狀年主要作物復(fù)種指數(shù)為182%，水稻占主要作物種植面積一半以上，其中：水稻92%、小麥占43%、油菜占39%，蔬菜、花卉、果木等經(jīng)濟(jì)作物8%。

灌區(qū)為水庫型灌區(qū)，灌溉水源主要來自石門水庫，另外還有少部分塘庫與機(jī)井供水。灌區(qū)有較為完善的渠道體系，下轄東干渠、西干渠、南干渠。東干渠、西干渠處低山丘陵區(qū)，南干渠處平原地區(qū)（見表1）。3 條干渠按區(qū)域分別由9 個灌溉管理站進(jìn)行管理，其中南干渠4 個，東干渠4 個，西干渠1 個（見表2）。干支渠基本配有巴歇爾量水堰與水位計等用水計量設(shè)備等，為灌區(qū)水平衡測試創(chuàng)造了良好測試條件［2］。

表1 灌區(qū)干支渠基本情況Tab.1 Basic situation of the main canals and branch canals in irrigation area

表2 灌區(qū)灌溉管理站情況Tab.2 Lists of irrigation management station in irrigated area

圖1 灌區(qū)干支渠示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main canals and branch canals in irrigation area

2 水量平衡測試方法

灌區(qū)水平衡測試是通過對灌溉各環(huán)節(jié)的引水、退水、分流水與回水的水量的測試，建立田間、渠道、灌溉站管理片乃至全灌區(qū)的水量平衡，并依此計算田間水有效利用系數(shù)、渠系水利用系數(shù)、灌溉水有效利用系數(shù)等用水效率指標(biāo)，分析挖掘灌區(qū)節(jié)水潛力，找到合理的節(jié)水方案。

水量測試采用以點(diǎn)、線、面結(jié)合的方法開展。“點(diǎn)”級測試對象是田間用水，以抽樣的方式選取代表性田塊，監(jiān)測田間引水量、有效灌溉水量、排水量，建立田間水量平衡，計算田間水有效利用系數(shù)?！熬€”級測試對象是渠道，利用“典型渠道法”在“干、支、斗、農(nóng)”各級渠道中選取的代表性渠道（段），測試渠首引水量、分支渠道分水量、尾端出水量，建立渠系輸水水量平衡［3，4］，計算渠系水利用系數(shù)。“面”級測試對象是總干渠、干渠渠首、交水點(diǎn)、其他灌溉水源等重要控制點(diǎn)。通過測量總干渠與干渠渠首引水量、其他水源供水量、排水渠的排水量，建立全灌區(qū)水量平衡，掌握各片區(qū)用水分布，結(jié)合點(diǎn)級、線級測算成果，計算灌溉用水效率指標(biāo)。

3 灌溉用水效率測算

3.1 田間水有效利用系數(shù)測算

田間水有效利用系數(shù)反映了灌區(qū)田間用水效率，本次測試采用了“典型田塊法”進(jìn)行系數(shù)的測算，測試需要在選擇的有代表性的田塊中測定農(nóng)作物灌溉定額與田間引水量，據(jù)此測算出田間水有效利用系數(shù)。

3.3.1 典型田塊選取方法

作物類型與土壤類型是影響典型田塊用水的選取關(guān)鍵因素，選取的典型田塊的土壤類型、作物種類應(yīng)考慮與全灌區(qū)、各干渠的分布一致，保證典型田塊能反映全灌區(qū)整體田間灌溉的綜合水平。灌區(qū)土壤按質(zhì)地分為重壤、輕壤、砂壤3 種類型，其中重壤、輕壤分布較廣，砂壤次之，其構(gòu)成為重壤土43%、土輕壤37%、砂壤土20%（見表3），不同作物需水特性也是影響灌溉定額的重要因素，全灌區(qū)主要作物水稻、小麥與油菜的面積比為52.6%∶24.8%∶22.6%。其中重壤土選取4 個田塊、總面積1.72 hm2，其中重壤土0.75 hm2、輕壤土0.61 hm2、砂壤土0.35 hm2，面積比為43.7%∶35.6%∶20.7%（見表4），基本符合全灌區(qū)土壤構(gòu)成面積比。種植作物類型面積為：水稻1.72 hm2、小麥0.89 hm2、油菜0.83 hm2，面積比為50%∶26%∶24%。也基本符合全灌區(qū)的作物種植面積比。

表3 各干渠范圍土壤分布占比 %Tab.3 Proportion of soil distribution in each main canal area

表4 典型田塊詳情Tab.4 Details of typical plots

3.3.2 灌溉定額

灌溉定額是依據(jù)農(nóng)作物需水量、有效降雨量、地下水利用量確定的，作物生育期內(nèi)，單位灌溉面積上須供水到田間且被作物利用的總灌溉水量，是滿足作物對補(bǔ)充土壤水分要求的科學(xué)依據(jù)［5］，一般由灌溉試驗站提供。本次對測試年各類土壤的三類農(nóng)作物進(jìn)行的灌溉定額的測定，其中水稻還需根據(jù)不同時段分別測定。

表5 3種作物不同土壤類型下的灌溉定額 m3/hm2Tab.5 Irrigation quota of three crops under different soil types

3.3.3 加權(quán)平均灌溉定額

對于某一范圍（如某一斗渠灌溉范圍）內(nèi)某種作物的灌溉定額，由于灌溉區(qū)域較大，土壤種類并非單一，且同種作物在不同土壤類型下的灌溉定額有較大差距，則需根據(jù)土壤在該范圍內(nèi)的分布，計算該種作物的加權(quán)灌溉定額，公式如下：

式中：M加權(quán)為某作物的加權(quán)灌溉定額，m3/hm2；mi為第i種土壤下的灌溉定額，m3/ hm2；αi為第i種土壤的面積百分比。

根據(jù)該方法，在計算出各斗渠范圍內(nèi)各類作物的加權(quán)灌溉定額后，可逐級統(tǒng)計斗渠所在支渠、支渠所在干渠、直至全灌區(qū)范圍內(nèi)的加權(quán)灌溉定額。

3.3.4 田間水有效利用系數(shù)

根據(jù)田間水有效利用系數(shù)η田的計算公式：

式中：m為各作物在某典型田塊內(nèi)的灌溉定額，m3/hm2；a為該典型田塊內(nèi)作物的種植面積，hm2；Q田為從毛渠進(jìn)入典型田塊的實際灌溉水量，m3。

計算得出不同土質(zhì)的典型田塊下3種主要作物的田間水利用系數(shù)

表6 各土壤類型下的田間水利用系數(shù)Tab.6 Field water utilization coefficient under different soil types

可以看出重壤土、輕壤土、砂壤土在單位面積下實際灌溉水量與凈灌溉水量都呈增長趨勢，田間水利用系數(shù)依次減小，分別為0.919、0.892、0.859。說明灌區(qū)的土壤類型造成的水量不同程度的損失是影響田間水利用系數(shù)的重要因素，全灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.893，處于一般大型灌區(qū)的正常水平。

3.2 渠系水利用系數(shù)測算

渠系水利用系數(shù)反映從干渠到農(nóng)渠的各級輸、配水渠道的總輸水損失。利用“典型渠道法”中的動水法，可不影響測試正常灌溉輸水的情況下進(jìn)行測試［6］。選擇的各級典型渠道的長度、土質(zhì)、防滲措施、輸水流量大小和工程完好率等指標(biāo)應(yīng)能代表全灌區(qū)的同級渠道的平均水平。灌區(qū)干渠綜合襯砌率69.5%，支渠綜合襯砌率77.5%，部分較大斗渠有全渠段襯砌，一般斗渠有非全渠段襯砌，少部分較小斗渠無襯砌，但農(nóng)渠基本為土渠，無襯砌。

實測中，按上述方法選取的典型代表渠（段）涵蓋了干、支、斗、農(nóng)四級，即南干渠、東干渠三支渠、南干渠28 斗渠與南干渠28 斗渠2 農(nóng)渠四級。測試時對本級渠道首引水量、沿渠所有下級渠道的分水流量、從其他來源的回流的回水流量（如抽水機(jī)回流）與渠尾的排水流量進(jìn)行測定后，計算該渠道的輸水損失流量［7］，即：

式中：Q首為測量渠段首部測量斷面的流量；Q尾為測量渠段尾部測量斷面的流量；Q分為測量渠段內(nèi)分水口處流量；Q回為其他方式回流入渠道的水量。

因南干渠全長33 km，不便整體于測試，實測中選擇與全灌區(qū)干渠綜合工況水平持平的段家山段作為典型渠段進(jìn)行測試，則對于該渠段所在的南干渠全渠道，渠道水利用率η渠道為：

式中：L為全渠道長；ΔL為測試渠段長。

全灌區(qū)渠系水利用系數(shù)η渠系為干、支、斗、農(nóng)各級渠道的渠道水利用系數(shù)之積：

可知，測試年典型渠道法測得全灌區(qū)渠系水利用系數(shù)為0.560。

3.3 灌溉水有效利用系數(shù)測算

灌溉水有效利用系數(shù)綜合了反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平，推薦的測定方法是首尾法［8-10］，由于灌區(qū)作物種類多樣、土壤類型各異，將首尾法進(jìn)行改進(jìn)后計算灌溉水有效利用系數(shù)，即有：

式中：M加權(quán)為某灌溉范圍內(nèi)的加權(quán)灌溉定額；a為該灌溉范圍的面積；Q凈為該灌溉范圍的田間凈灌溉用水量；Q毛為引入該范圍的毛灌溉水量。

其中，Q毛可由實測得到，a由資料或?qū)崪y獲得，M加權(quán)根據(jù)式（1）計算而得。

為分析灌區(qū)各區(qū)域的節(jié)水潛力，需測算全灌區(qū)、各干渠、各灌溉管理站覆蓋范圍內(nèi)的灌溉水有效利用系數(shù)。由上述可知，測算關(guān)鍵是加權(quán)灌溉定額的計算，對于不同測算范圍，只需逐級計算其下轄各級渠道灌溉范圍內(nèi)的加權(quán)灌溉定額后易得。在實際測算中首先以斗渠為最小統(tǒng)計單元計算加權(quán)灌溉定額，然后逐級統(tǒng)計至各支渠、各干渠（段），再根據(jù)各干渠、各灌溉管理站下轄渠道的灌溉范圍，分別計算其加權(quán)灌溉定額，最后測算出不同分析范圍內(nèi)的灌溉水有效利用系數(shù)。

經(jīng)測算全灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.532，南干渠、東干渠、西干渠分別為0.550、0.517、0.537。各灌溉管理站由0.469至0.625不等。

4 用水效率與提高措施分析

4.1 田間用水分析

根據(jù)田間測試，水稻灌溉定額（3 種土壤下的平均值）均約為小麥和油菜的5倍。所以無論是毛灌溉水量還是灌溉損失水量，水稻種植均遠(yuǎn)高于其他兩種作物。水稻、小麥、油菜三者在砂壤土下的灌溉定額較重壤土依次多54%，37%，28%，且水稻所受影響較其他兩種作物更為明顯，說明作物類型、土壤類型是影響灌區(qū)田間灌溉水量損失水、田間水利用率的主要因素之一。

以首尾法計算灌溉水有效利用系數(shù)知，三干渠中東干渠所轄范圍系數(shù)最低，各灌溉站范圍內(nèi)的灌溉水有效利用系數(shù)分布不均，范寨、王家?guī)X站所轄范圍系數(shù)最低，為0.469 與0.473，也同屬東干渠。因東干渠灌溉范圍內(nèi)重壤土、輕壤土面積占近9成，未對田間用水照成不利影響，但兩處管理站所轄灌溉區(qū)域均處于灌區(qū)北部低山丘陵最陡區(qū)域，主要是坡地、梯田，水在土壤中保持性較差，受地形影響明顯，特別是在渠道損毀位置流失現(xiàn)象會更加嚴(yán)重。較之系數(shù)最高的南干渠二道關(guān)管理站，處于灌區(qū)南部平原地區(qū)，同樣以水稻為主要種植作物，三者渠道襯砌水平也基本處于全灌區(qū)平均水平，充分說明了在不同的地勢對灌溉水的有效利用率有著很大的影響。在不同地勢、土壤環(huán)境下，合理選擇作物種植是影響灌溉水有效利用系數(shù)的關(guān)鍵因素。

除以上兩站外，西干渠赤土嶺站所轄范圍的灌溉水有效利用系數(shù)相對較低，為0.537。西干渠渠長較短，且僅有一條支渠，輸水效率相對較高，但區(qū)域內(nèi)砂壤土面積占比約50%，較其他區(qū)域明顯偏高。根據(jù)上述分析，在砂壤土環(huán)境下種植水稻是導(dǎo)致該處灌溉水有效利用系數(shù)相對較低的主要原因。

因此，引導(dǎo)農(nóng)戶在灌區(qū)北部丘陵、坡地地勢與砂壤土等不利地理地質(zhì)條件下改種需水量較小的旱作，如小麥與油菜，不僅能大幅降低田間用水總量，同時也降低田間用水損失，提高田間用水效率。

4.2 渠系輸水分析

具資料，灌區(qū)三干渠及所屬下級渠道襯砌工程覆蓋度與現(xiàn)狀工程質(zhì)量雖有所差異，但總體水平較為平均。從各級渠道水利用系數(shù)看（見表7），雖然干渠渠道工程質(zhì)量優(yōu)于支渠，但由于干渠長度遠(yuǎn)長于支取，導(dǎo)致干渠上的輸水損失量較支渠高，干渠的渠道水利用系數(shù)較支渠反而低。

表7 各級代表渠道的渠道水利用系數(shù)Tab.7 Water utilization coefficient of channel system in each representative canal

表9 各管理站灌溉水有效利用系數(shù)Tab.9 Effective utilization coefficient of irrigation water of each management station

從渠道本級輸水損失率看（見表10），低級渠道（斗農(nóng)渠）高于高級渠道（干支渠），與各級渠道襯砌程度的高低趨勢一致，可見渠道襯砌是影響本灌區(qū)渠道輸水效率的主要因素。另外從輸水絕對損失量看，低級渠道約占總輸水損失的70%。雖干支渠過水流量大，渠道兩側(cè)滲水面寬，但均有不同程度襯砌，其輸水損失還是遠(yuǎn)小于渠道數(shù)量多，渠道總長度長，且襯砌較少的低級渠道。因此，灌區(qū)應(yīng)著力改善低級渠道的襯砌工程狀況可較大程度提高渠道的輸水效率。

表10 測試期間各級渠道水量損失情況Tab.10 Water loss of all canals during the test

如在相同投入下進(jìn)行防滲處理，降低渠道透水性，提高渠道水利用系數(shù)，現(xiàn)狀條件下，在高級渠道上應(yīng)側(cè)重對干渠渠道質(zhì)量的改善。在低級渠道上，由于斗渠已有一定襯砌率，而農(nóng)渠基本無襯砌，且農(nóng)渠在實施襯砌工程規(guī)模上要小于斗渠，故農(nóng)渠輸水損失的改善效果要優(yōu)于斗渠。

5 結(jié) 論

通過對灌區(qū)的水平衡測試，分別從田間用水、渠系輸水、渠首引水，點(diǎn)線面三個角度測試灌區(qū)用水的情況，計算灌區(qū)用水的各項指標(biāo)，并與灌區(qū)地勢、土壤分布、農(nóng)作物分布、渠道工程健康狀況等影響灌溉用水的諸多因素相互映證，找出灌區(qū)內(nèi)用水利用率較低地區(qū)和產(chǎn)生影響的主要原因，發(fā)現(xiàn)提高用水效率有效途徑，并為灌區(qū)以最小的代價產(chǎn)生最大的節(jié)水效益帶來可靠的數(shù)據(jù)支撐，也可為灌區(qū)進(jìn)行續(xù)建節(jié)水改造方案制定提供依據(jù)。

灌區(qū)灌溉用水受地形影響較大，同等條件下北部丘陵地區(qū)較南部平原地區(qū)種植水稻，田間水損失較大。土壤類型對田間用水效率的影響僅次于地勢影響，特別是在灌區(qū)北部砂壤土地區(qū)，該影響更為明顯［11］。在渠道輸水損失上，低級渠道較高級渠道高，高級渠道中干渠損失高，低級渠道農(nóng)渠損失高。

灌區(qū)在提高用水效率上應(yīng)從調(diào)整北部丘陵地區(qū)種植結(jié)構(gòu)入手，特別是在砂壤土地區(qū)，引導(dǎo)農(nóng)戶改種玉米、油菜等需水量較少的旱作為主，減少灌溉需水量，同時也減小因地勢原因造成的水稻春灌期大量田間水的流失［5］。在灌溉工程維護(hù)修繕時，應(yīng)優(yōu)先考慮低級渠道，特別是灌區(qū)北部丘陵坡地區(qū)域的低級渠道，盡可能大幅提高斗農(nóng)渠的襯砌率，對渠道上年久失修漏損處與隨意引水處進(jìn)行及時修補(bǔ)。另外還需對農(nóng)戶進(jìn)行灌溉節(jié)水宣傳教育與正確引導(dǎo)，配合灌區(qū)灌溉管理工作，提搞節(jié)水意識。